鋳造法により作製されたアルカリ炭酸塩およびアルカリ塩化物混合物塩中子の強度

本紹介論文は、「Materials Transactions / Japan Foundary Engineering Society」により発行された論文「Strength of Salt Core Composed of Alkali Carbonate and Alkali Chloride Mixtures Made by Casting Technique」に基づいています。

1. 概要:

• 論文タイトル: Strength of Salt Core Composed of Alkali Carbonate and Alkali Chloride Mixtures Made by Casting Technique (鋳造法により作製されたアルカリ炭酸塩およびアルカリ塩化物混合物塩中子の強度)
• 著者: Jun Yaokawa, Daisuke Miura, Koichi Anzai, Youji Yamada and Hiroshi Yoshii
• 発行年: 2007
• 発行学術誌/学会: Materials Transactions / Japan Foundary Engineering Society
• キーワード: salt core, expendable core, carbonate, chloride, die casting, strength, microstructure (塩中子, 消失性中子, 炭酸塩, 塩化物, ダイカスト, 強度, ミクロ組織)

2. 抄録:

高圧ダイカストプロセス用の消失性塩中子を開発するために、4つの二元系 NaCl-Na2CO3, KCI-K2CO3, KCI-NaCl および K2CO3-Na2CO3 の強度を調査した。永久鋳型鋳造技術を用いて溶融塩から作製した試験片の強度を決定するために、4点曲げ試験を実施した。NaCl-Na2CO3 系の強度は、Na2CO3 組成が 20 mol% から 30 mol% の間、および 50 mol% から 70 mol% の間で 20 MPa を超えた。最高強度は NaCl-70 mol%Na2CO3 の組成で約 30 MPa であり、これは一般的に使用される砂中子の強度の 5 倍であった。KCI-K2CO3 系も 20 MPa の強度を示した。ピーク強度が得られた組成において、NaCl-Na2CO3 および KCI-K2CO3 系の凝固組織中に共晶組織に囲まれた初晶粒子が存在することが観察された。初晶粒子は亀裂伝播を防止または偏向させることができるため、組織の強化に重要な役割を果たした。これらの二元系とは対照的に、KCI-NaCl および K2CO3-Na2CO3 系は、固溶体相の相分解または他の固相-固相相変態により非常に脆かった。これらの系の強度は 6 MPa 未満であった。

3. 緒言:

高圧ダイカスト（HPDC）プロセスは、アルミニウム合金やその他の低融点合金の複雑な形状の製品を低コストで提供できる、よく知られたニアネットシェイプ製造技術である。近年、このプロセスを用いてアンダーカット形状の部品を製造し、機械的特性の向上、生産性の向上、コスト削減などを図るニーズが高まっている。しかし、HPDCプロセスの非常に厳しい鋳造条件は消失性中子（expendable cores）の使用を制限するため、これらの部品を製造することは非常に困難である。中子は製品のアンダーカット形状を形成するために不可欠である。HPDCプロセスでは、溶融金属の高い流速（ゲート部で 30 m/s 以上）と高い静水圧（60 MPa 以上）が一般的に用いられる。これらの鋳造条件は、金型や中子に非常に高い機械的負荷を引き起こす。したがって、消失性中子はこのような高い負荷に耐えるのに十分な強度を持たなければならない。しかし、中子強度の増加は通常、その崩壊性（collapsibility）を低下させ、結果として中子除去時間を長くする必要がある。一般に、中子強度が増加するほど、崩壊性は低下し、中子除去時間が長くなる。したがって、総加工コストが増加する。これらの問題を解決するために、砂中子（sand cores）、金属性中子（metallic cores）、有機材料中子（organic material cores）、塩中子（salt cores）など、HPDCプロセス用の多くの種類の消失性中子が開発されてきた。しかし、強度と除去性（removability）の両方を完全に満たす消失性中子は、HPDCプロセスでまだ使用されていない。

鋳造技術によって製造される水溶性塩中子は、その高い除去性のために、新しい消失性中子の魅力的な候補である。さらに、鋳造技術の使用により、複雑な形状の塩中子を製造することが可能になる。最近、永久鋳型鋳造法によって作製された、アルミナボレートウィスカーで強化されたアルカリハライドの強度が、HPDCプロセスで使用するのに十分高いことが報告されている。しかし、これらの研究では、セラミック強化材の添加が溶融塩の流動性を低下させることが示された。さらに、セラミック強化材の使用は材料コストを増加させ、追加のリサイクルプロセスを必要とする。多くの特許では、強化材なしの塩混合物からなる塩中子が良好な鋳造性（castability）と高い除去性を有することが報告されている。したがって、塩混合物の使用は、HPDCプロセス用塩中子の製造においてより望ましい。しかし、これらの塩混合物の強度に関する研究はほとんど報告されておらず、塩混合物の組成が強度に及ぼす影響を体系的に調査した研究は不足している。

本研究の目的は、アルミニウム合金のHPDCプロセスで使用するのに適した液相線温度を持つ四元系（塩化ナトリウム、炭酸ナトリウム、塩化カリウム、炭酸カリウム）の一部である、4つの二元系、すなわち塩化ナトリウム-炭酸ナトリウム（NaCl-Na2CO3）、塩化カリウム-炭酸カリウム（KCl-K2CO3）、塩化カリウム-塩化ナトリウム（KCl-NaCl）、炭酸カリウム-炭酸ナトリウム（K2CO3-Na2CO3）の強度を調査することである。永久鋳型鋳造法を用いて溶融塩混合物から作製した試験片に対して4点曲げ試験を実施した。組成と凝固組織が強度に及ぼす影響を、破面観察（fractgraphy）と相図の知識に基づいて議論した。結果は、NaCl-Na2CO3 および KCl-K2CO3 系の混合物において非常に高い強度を実現できることを示した。

4. 研究の概要:

研究テーマの背景:

特にアルミニウム合金のHPDCプロセスによる複雑なアンダーカット部品の製造において、高強度で容易に除去可能な消失性中子の必要性が高まっている。水溶性塩中子は有望な候補技術である。

先行研究の状況:

先行研究では強化塩中子が検討され、高い強度を達成したが、コスト、溶融塩流動性、リサイクルの問題に直面した。特許では非強化塩混合物の可能性が示唆されていたが、特に組成の影響に関する強度特性についての体系的なデータは不足していた。

研究の目的:

本研究は、永久鋳型鋳造法によって作製された4つの二元系塩システム（NaCl-Na2CO3, KCl-K2CO3, KCl-NaCl, K2CO3-Na2CO3）の強度を体系的に調査することを目的とした。目標は、塩混合物の組成、凝固組織、および機械的強度との関係を理解し、HPDC塩中子に適した組成を特定することであった。

中核研究:

研究の中核は、永久鋳型鋳造を用いて様々な組成の4つの二元系塩システムから試験片を準備することであった。これらの鋳放し試験片の機械的強度は、4点曲げ試験を用いて決定された。凝固ミクロ組織と破断面は、SEM、EDX、およびXRDを用いて分析され、組織と強度を関連付けた。相図は、凝固挙動と結果として生じるミクロ組織を解釈するために使用された。ビッカース硬さ（Vickers hardness）も測定された。

5. 研究方法論

研究設計:

本研究は実験的設計を採用した。4つの二元系塩システムの様々な組成を準備し、それらを永久鋳型を用いて標準化された試験片に鋳造し、それらの曲げ強度と硬さを測定し、強度を決定する根底にあるメカニズムを理解するためにそれらのミクロ組織と破壊挙動を分析することを含んでいた。

データ収集および分析方法:

• 材料: 純粋な塩（NaCl, KCl, Na2CO3, K2CO3, 99.5 mass% 純度）を混合して、様々な組成の二元系システムを作成した（Table 1）。
• 試験片作製: 塩混合物を溶融し、液相線温度より10K過熱した後、ライザー（riser）を備えた予熱された（373 K）JIS-SCM440鋼製永久鋳型（Fig. 1）に注入した。試験片は60秒後に突き出され、冷却された。
• 機械的試験: 鋳放し試験片（寸法指定、曲げ速度 1.6 x 10⁻² mm·s⁻¹）に対して4点曲げ試験を実施し、最大曲げ荷重（P）を決定し、式（1）を用いて曲げ強度（σ）を計算した。研磨された断面でビッカース硬さを測定した。
• ミクロ組織分析: 凝固組織は、研磨およびエッチングされた試料上で走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて観察した。エネルギー分散型X線分光分析（EDX）により局所組成を決定した。X線回折（XRD）により結晶相を同定した。破断面はSEM-EDXを用いて分析した。
• 相図: Thermo-Calc™ソフトウェアを用いて計算した。

研究テーマと範囲:

本研究は、永久鋳型鋳造によって作製された4つの二元系アルカリ塩化物-アルカリ炭酸塩システム（NaCl-Na2CO3, KCl-K2CO3, KCl-NaCl, K2CO3-Na2CO3）の曲げ強度とミクロ組織に焦点を当てた。範囲には、組成が強度と硬さに及ぼす影響の調査、凝固組織の同定、鋳造欠陥（表面の凹凸、内部引け巣、Fig. 2）の分析、およびミクロ組織と破壊分析に基づく強化メカニズムの解明が含まれた。強度分析は、典型的な鋳造欠陥を含む鋳放し試験片に対して実施された。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• 二元系 KCl-NaCl および K2CO3-Na2CO3 は非常に低い強度（6 MPa 未満）を示し、脆く、顕著な亀裂が見られた（Fig. 3）。これは、冷却中にそれらの連続固溶体構造で発生する固相-固相相変態（分解または共析反応）に起因すると考えられた（Fig. 4）。
• NaCl-Na2CO3 系は高い強度を示し、Na2CO3 組成が 20-30 mol% および 50-70 mol% の範囲で 20 MPa を超えた。最高強度は NaCl-70 mol%Na2CO3 で 30 MPa を超え、これは一般的な砂中子の約 5 倍であった（Fig. 5b）。
• KCl-K2CO3 系も顕著な強度を示し、K2CO3 20 mol% および 50-80 mol% の間で 10 MPa を超えた。最高強度は K2CO3 組成 50 mol% および 60 mol% で 25 MPa を超えた（Fig. 5d）。
• NaCl-Na2CO3 および KCl-K2CO3 系における高い強度は、共晶マトリックス内に分散した初晶相粒子（塩化物または炭酸塩）からなるミクロ組織をもたらす組成と相関していた（Fig. 7, Fig. 11e）。強度は、純粋な成分の近くおよび共晶組成自体で最も低かった（Fig. 11a, 11c）。
• 高強度組成における強化は、初晶粒子がへき開面に沿った「亀裂偏向（crack deflection）」（Fig. 9a, Fig. 10b）および粒子周りの「亀裂湾曲（crack bowing）」（Fig. 9b, Fig. 10a）によって亀裂伝播を妨げることに起因するとされた（Fig. 11f に模式的に示される）。
• ビッカース硬さ測定（Fig. 6）は、NaCl-Na2CO3 系が全組成範囲にわたって KCl-K2CO3 系よりも一般的に硬いことを示し、これはそのより高い全体強度と一致した。初晶粒子と共晶組織の両方の硬さが全体強度に寄与する。

図のリスト:

• Fig. 1 Casting design of bending test specimens.
• Fig. 2 Cross section of KCl-80 mol%K2CO3 specimen.
• Fig. 3 Photographs of specimens at ambient temperature. (a) KC1-30 mol%NaCl. (b) K2CO3-50 mol% Na2CO3.
• Fig. 4 Strength and phase diagrams¹⁵⁾ of KCl-NaCl and K2CO3-Na2CO3 binary systems.
• Fig. 5 Strength and phase diagrams¹⁵⁾ of NaCl-Na2CO3 and KCl-K2CO3 binary systems.
• Fig. 6 Vickers hardness of the system NaCl-Na2CO3 and the system KCI-K2CO3. Solid and dotted lines connect average hardness value of each composition, respectively.
• Fig. 7 The scanning electron microscope (SEM) images of solidified structure. (a) and (b): NaCl-10 mol%Na2CO3. (c) and (d): NaCl-70 mol%Na2CO3.
• Fig. 8 The X-ray diffraction pattern of NaCl-70 mol% Na2CO3.
• Fig. 9 The scanning electron microscope (SEM) images of broken surface. (a): NaCl-10mol%Na2CO3. (b): NaCl-70 mol%Na2CO3.
• Fig. 10 Schematic drawings of two strengthening mechanisms²⁰⁾ in the systems NaCl-Na2CO3 and KCI-K2CO3. (a) crack bowing. (b) crack deflection.
• Fig. 11 Schematic drawings of the solidification structure and the crack propagation. (a) and (b): at the eutectic composition. (c) and (d): pure salt. (e) and (f): the composition between the eutectic and the unary.

7. 結論:

本研究では、永久鋳型鋳造技術を用いて鋳造された4つの二元系塩システム（NaCl-Na2CO3, KCl-K2CO3, KCl-NaCl, K2CO3-Na2CO3）の強度を調査し、SEM-EDXおよびXRDを用いてミクロ組織を分析した。主な結果は以下の通りである。

1. NaCl-Na2CO3 系は、Na2CO3 20-30 mol% および 50-70 mol% の間で 20 MPa を超える強度を達成し、NaCl-70 mol%Na2CO3 での最大強度は 30 MPa を超えた。
2. KCl-K2CO3 系は、K2CO3 20 mol% および 50-60 mol% の間で 10 MPa を超える強度を示し、K2CO3 50-60 mol% での最大強度は 25 MPa を超えた。
3. NaCl-Na2CO3 および KCl-K2CO3 系における強度の増加は、共晶組織内の初晶粒子が亀裂伝播を効果的に防止または偏向させる凝固組織に起因した。
4. NaCl-Na2CO3 系は KCl-K2CO3 系よりも高い強度を示し、これはその初晶粒子および共晶組織のより高い硬さ値に起因した。
5. KCl-NaCl および K2CO3-Na2CO3 系は、それらの凝固組織（連続固溶体）および冷却中の有害な固相-固相相変態のために低い強度（6 MPa 未満）を示した。

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9. 著作権:

• 本資料は、「Jun Yaokawa, Daisuke Miura, Koichi Anzai, Youji Yamada and Hiroshi Yoshii」による論文です。「Strength of Salt Core Composed of Alkali Carbonate and Alkali Chloride Mixtures Made by Casting Technique」に基づいています。
• 論文の出典: https://doi.org/10.2320/matertrans.48.1034

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